力学进展

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非正泊松比力学超材料设计策略及其缓冲吸能特性

王玮婧, 杨航, 张伟明, 马力

2025, 55(4): 707-746. doi: 10.6052/1000-0992-25-021

摘要(310)

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摘要:
非正泊松比力学超材料是一类通过构型设计在宏观尺度上展现零/负泊松比效应的结构型功能材料. 因其在横向变形调控、尺寸稳定性和能量吸收等方面的独特优势, 在航空航天、海洋工程、交通运输、可穿戴防护装备和生物医学等领域展现出广泛的应用前景. 近年来, 随着微结构设计、先进材料制备技术和多材料集成手段的不断演进, 非正泊松比力学超材料在构型多样性、响应调控性与结构功能一体化等方面取得了显著进展. 本文从激活结构横向变形行为的主导机理出发, 系统梳理了非正泊松比力学超材料的典型设计策略. 负泊松比超材料围绕内凹几何、旋转体系 (旋转刚体/桁架、手性/反手性)、剪纸/折纸、弹性不稳定诱导与刚体联动等机制组织. 零泊松比超材料归纳为类矩形/平行四边形、半内凹、正/负泊松比单元组合与刚柔复合等几何范式. 围绕非正泊松比力学超材料在缓冲吸能应用中的关键性能, 重点讨论了多平台响应设计、梯度构型调控、多材料耦合与智能材料介入等性能增强途径. 在结构集成层面, 本文还探讨了模块化组装、夹层结构设计与本征三维结构设计等技术路径. 最后, 结合非正泊松比力学超材料在设计制备、性能调控与系统集成中的研究进展, 梳理了当前面临的核心技术瓶颈, 明确了亟需突破的关键方向, 并提出了面向多尺度制造、多场响应集成与工程化应用的未来发展路径.

数据驱动动力学与控制研究若干进展

丁千, 张舒, 黄锐, 和梦欣, 许勇, 韩芳, 李响, 崔篮匀, 王青云, 徐鉴

2025, 55(4): 747-818. doi: 10.6052/1000-0992-25-005

摘要(2236)

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摘要:
动力学与控制是研究系统运动规律力学机理及其调控方法的学科, 在现代工程与科学研究中具有重要作用. 来自工程结构、耦合构件间力传递和环境交互中的结构和几何非线性、接触力的非光滑性、环境干扰的不确定性和与环境多场耦合交互等因素的复杂性, 使得传统动力学建模、动力学响应预测和动力学控制的智能化变得异常困难. 数据驱动方法的快速发展为解决这些问题提供了全新思路和新的研究范式. 近年来的研究表明, 数据驱动方法不但可以解决或部分解决传统动力学方法无法解决的问题, 而且可以显著提升动力学行为预测和性能优化的能力, 为动力学与控制研究的智能化奠定必要的基础, 在复杂耦合系统的建模、分析与调控中展现出巨大的潜力与科学价值. 本文简要介绍了近年来数据驱动方法在机器人动力学建模与运动调控、跨声速气动弹性动力学建模、结构动力学设计、随机动力学、基于脑机接口技术和神经动力学模型的运动控制、机械设备故障诊断与剩余寿命预测等方面的应用研究进展, 并探讨了这些领域面临的挑战与发展趋势.

水动力空化流动的微观机理与多尺度模拟

王本龙, 刘筠乔

2025, 55(4): 819-853. doi: 10.6052/1000-0992-25-012

摘要(247)

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摘要:
水动力空化是船舶推进、航行体跨介质运动等领域一种常见的物理现象. 针对工程领域空化噪声和空蚀预报对非平衡空化流动研究的迫切需求, 回顾了20余年来空化核与初生、群泡水体介质特性与声传播、空化与湍流相互作用、空泡溃灭瞬态冲击与激波等关键基础科学问题研究的主要进展; 梳理出空化宏观模拟面临的空化相变建模、多相流模拟和多相湍流3个挑战, 指出多尺度空化模拟的重要性并对微介观模拟方法做了简要介绍; 总结了近年来空化流微介观模拟在空化区混合介质基本物理特性、空泡流场时空特性等方面获得的新认识以及高阶数值模拟方法. 面向高精度空化流动多尺度模拟与工程预报, 展望了定量、准确描述空化区域水汽掺混介质特性与空化流时空特性的两个层面迫切需要解决的若干基础性建模问题.

基于光滑粒子法的多物理场耦合模拟研究进展

马一博, 沈文豪, 陆遥, 刘家昊, 马凌晓, 刘谋斌

2025, 55(4): 854-907. doi: 10.6052/1000-0992-25-003

摘要(1869)

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摘要:
工程科学众多问题涉及多物理场耦合效应, 其数值模拟往往面临巨大挑战. 光滑粒子法 (smoothed particle hydrodynamics, SPH) 是一种经典的无网格粒子方法, 在模拟多物理场耦合问题方面具有明显优势, 已在众多科学和工程领域取得广泛应用. 本文重点介绍近期SPH算法研究概况及其在多物理场耦合模拟方面的应用进展. 具体内容包括: (1) 力−热耦合问题, 涉及传热传质、高速撞击、铸造、增材制造等领域; (2) 力−热−化学反应耦合问题, 涵盖聚能射流、爆炸焊接、水下爆炸等应用; (3) 力−热−电磁耦合问题, 包括电磁场流场控制及“X-pinch”等问题. 最后, 对SPH方法模拟多物理场耦合问题的未来发展进行了讨论和展望.

基于近场动力学理论的准脆性材料损伤预测和断裂研究进展

赖欣, 刘亚洵, 刘立胜, 李少凡, 李君, 梅海, 张金咏

2025, 55(4): 908-947. doi: 10.6052/1000-0992-25-007

摘要(520)

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摘要:
近场动力学作为一种以积分方程为特征的非局部连续介质力学理论, 在模拟裂纹萌生以及裂纹沿任意路径扩展时较传统连续介质理论具有显著优势, 特别在描述脆性以及准脆性材料的瞬态损伤与断裂问题中具有良好的适用性. 本文首先概述了近场动力学的基本理论以及材料断裂与损伤的失效准则. 其次详细介绍了近年来多种脆性以及准脆性材料 (陶瓷、混凝土、玻璃、岩石等) 在近场动力学框架下的损伤预测和断裂建模研究. 最后讨论了该类材料在近场动力学理论中值得深入研究的问题.

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